（水利工程专业论文）于家河大坝除险加固研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导 下 独立进行研究所取得的成果 除文中已经注明引用的内容 外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科 研成果 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体 均已在文 中以明确方式标明 本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 叠迎盈 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权山东大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用 影印 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文 保密论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 堡熊导师签名 弛期 星q q 垒 墨 至曼 山东大学硕士学位论文 摘要 土石坝是我国水利工程中各种坝型应用最多的一种 但由于其建设时期的 历史特殊性 多数土石坝存在着不同程度的设计缺陷或质量问题 本文针对土 石坝中比较突出的破坏病害 老化病害破坏现象较为普遍等问题 总结和综述 了国内外土石坝老化病害破坏研究现状 防治措施研究进展和发展趋势 通过 现场调研 室内试验 理论分析和实践相结合的方法 讨论了土石坝病害分析 检测 综合治理方法在水利工程中的作用 目的 研究意义 研究方法和研究 内容 对土石坝的病害机理及防治措施进行了深入研究 针对山东省现有的土 石坝病害防治措施等方面的现状 为适应水利设计 施工 管理单位的具体需 求 根据有关规范规程要求 工程应用条件 应用需求 运用特点和当前存在 的问题 归纳出不同条件下土石坝的病害机理及防治措施 本文接合于家河水 库大坝所存在的质量问题 在深入分析研究的基础上 提出了一些相应的有效 加固措施 该文主要进行了下列工作 回顾总结了我国土石坝发展的基本概况 及运行现状 对土石坝病害的种类及评判方法进行归纳 综述了土石坝加固技 术及方法 并对各种除险加固措施进行了分析比较 提出了适合于家河水库大 坝的具体加固措施和方法 研究了各种工况下土石坝的位移 应力 变形 利用 有限元渗流软件对几种工况下土石坝的渗流进行了分析计算 模拟计算了地震 作用下土坝的液化状态及破坏特征 得出了一些有益的结论 本文验证了作者所提出的土石坝病害分析 综合治理方法的可行性和实用 性 利用本文提出的方法和相应的工程处理措施 能够较全面 准确地分析和 解决土石坝老化病害破坏问题 工程实践证明 整治病害水库往往较新建一座 大坝更为复杂 随着上世纪大跃进时期修的大坝逐渐老化 这些大坝都需要加 固 本文研究成果无疑有着广泛的应用价值 关键词 于家河土石坝 老化病害 除险加固 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee a r t h r o c kd a mi st h em o s tf r e q u e n t l y u s e dd a mi nh y d r a u li c e n g i n e e r i n gi no u rc o u n t r y a sar e s u l to ft h el a r g e s c a l ec o n s t r u c t i o n m o s to ft h ee a r t h r o c kd a m se x i s td e s i g no rq u a l i t yp r o b l e m si nd i f f e r e n t d e g r e e i nt h ep a p e r i nv i e wo ft h ec o m m o np r o b l e m so fd e s t r u c t i v e i l l n e s sa n da g e i n gi l l n e s si ne a r t h r o c kd a m s t h ea u t h o rs u m su pt h e c u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no fd e s t r u c t i v ei l l n e s sa n da g e i n gi l l n e s s a n dt h er e s e a r c hp r o g r e s so fd r e v e n ti o na n dc o n t r o lm e a s u r e sa n d d e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fe a r t h r o c kd a m sa th o m ea n da b r o a d l i n k i n g t h e o r e t i c a la n a l y s i sw i t hp r a c t i c et h r o u g hi n d o o re x p e r i m e n ta n d i n s p e c t i o na n ds i t ei n v e s t i g a t i o n t h ea u t h o rd i s c u s s e st h ef u n c t i o n o fi l l n e s sa n a l y s i sa n di n s p e c t i o na n di t si m p r o v e m e n ti nh y d r op r o j e c t s a n di t sa i ma n dr e s e a r c hs i g n i f i c a n c ea n dc o n t e n t s m a k e sat h o r o u g h s t u d yo ni l l n e s sm e c h a n i s ma n dp r e v e n t i o na n dc o n t r o lm e a s u r e si n e a r t h r o c kd a m i nt h el i g h to ft h es t a t u sq u oo fi l l n e s sc o n t r 0 1 m e a s u r e si nt h ee a r t h r o c kd a mi ns h a n d o n gp r o v i n c ea n da c c o r d i n gt o t h er e l e v a n ts t a n d a r dd e m a n d sa n da p p l i e dc o n d i t i o n sa n dr e q u i r e m e n t a n do t h e r s c h a r a c t e r i s t i co fp r o j e c t sa n de x i s t i n gp r o b l e m sa tp r e s e n t t h ea u t h o rs u m su dt h ei 1l n e s sm e c h a n is ma n dc o n t r o lm e a s u r e so fe a r t h r o c kd a m si nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s i nt h ep a p e r l i n k i n gw i t ht h eq u a l i t y p r o b l e mi ny u j i a h ee a r t hr o c kd a m t h ea u t h o rp u t sf o r w a r ds o m ee f f e c t i v e r e i n f o r c e m e n tm e a s u r e st h r o u g ht h o r o u g h a n a l y s i sr e s e a r c h i nt h e p a p e rt h ef o l l o w i n gw o r ki sm a i n l yc a r r i e d i tr e v i e w sa n ds u m m a r i z e s t h ed e v e l o p m e n ta n do p e r a ti o no fe a r t hr o c kd a m si nc h i n a i n d u c e st h e v a r i o u sd is e a s eo fe a r t hr o c kd a m sa n dit sm e a s u r eo f j u d g e m e n t t h e c o m m o n l vu s e dt e c h n i c a lm e t h o do fr e i n f o r c e m e n ti nr o c k f i l ld a m s s t r e n g t h e ni ss u m m a r i z e dt ob ea n a l y z e da n dc o m p a r e d as u i t a b l e r e i n f o r c e m e n tm e a s u r ea n dm e t h o di sp u tf o r w a r df o ry u j i a h ee a r t hr o c k d a m i tc o n d u c t sas t u d yt h ee a r t hr o c kd a m sd i s p l a c e m e n t a n ds t r e s s a n d d e f o r m a t i o nu n d e rv a r i o u sc o n d i t i o n si nr e s p o n s et ot h ed e f o r m a t i o n a n a l v z e sa n dc o m d u t e st h ee a r t hr o c kd a m sf i l t r a t i o nu n d e rv a r i o u s c o n d i t i o n sb yf i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o ns o f t w a r e s i m u l a t e sa n d c o m p u t e st h ee a r t hr o c kd a m sli q u e f a c ti o na p p e a r a n c ea n dd e s t r u c ti o n f e a t u r eb ya ne a r t h q u a k ef u n c t i o n i tg e t ss o m eb e n e f i c i a lc o n c l u s i o n s i nt h ep a p e r i tv e r i f i e sf e s s i b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo ft h ee a r t h r o c kd a mi 1 1 n e s sa n a l y s i sa n di n s p e c t i o na n di m p r o v e m e n tt h a ti sp u t f o r w a r db yt h e a u t h o r m a k e su s eo ft h em e t h o da n dc o r r e s p o n d i n g e n g i n e e r i n g c o n t r a lm e a s u r ei nt h ep a p e rt o a n a l y s e a n ds 0 1 u t e d e s t r u c t i v ei l l n e s sa n da g e i n gi 1 1 n e s sp r o b l e m i ti sp r o v e dt h r o u g h t h ep r o j e c tp r a c t i c et h a tr e n o v a t i n gt h ep l a n td i s e a s er e s e r v o i rt h a n 2 b u i l d i n gan e wd 锄i so f t e nm o r ec o m p l e x a l o n gw i t ht h ea g e l n gd 锄s d u r i n gt h el a r g e s c a l ec o n s t r u c t i o nt i m e w i t h o u td o u b tt h e r e s e a r c h a c h ie v e m e n tw il lb eo f w id e s p r e a dp r a c tic a lv a l u ea n da p p l1 c a t1o n k e y w o r d s y u j i a h e e a r t h r o c kd a m a g e i n g i 1 1 n e s s r e i n f o r c e m e n to fa g e dd a n g e r o u sd a m 3 山东大学硕士学位论文 1 1 研究的目的和意义n 7 3 第一章前言 我国旱涝洪水频繁 为除害兴利 中华人民共和国成立以来 兴建了大量 的水库工程 目前 我国己建成各类水库8 5 万座 在防洪 发电 供水 灌 溉等方面发挥了巨大的效益 为中国经济社会的可持续发展做出了重要贡献 我国的水库大部分兴建于上世纪5 0 7 0 年代 由于受当时条件的限制 许多工程 先天不足 且随工程的逐年老化 加上管理落后 老化处理资 金投入不足和不及时 致使病险水库数量大 水库的病险率高 病险水库的隐 患威胁更是令人担忧 大量病险水库的存在 一方面危及城镇 主要交通干线 等基础设施以及广大人民群众的生命财产安全 另一方面导致工程效益减退 制约着经济社会的可持续发展 我国病险水库除险加固工作经过多年的努力 取得了很大成绩 但因水库 数量大 隐患多 资金投入受到一定限制 至今许多水库的安全问题仍未解决 除险加固的任务任重而道远 尤其是一些中小型水库的质量问题 决不能轻视 随着中国现代化建设步伐的加快 经济建设 社会稳定及人民生命财产安全都 迫切需要加强病险水库的加固和消除险情工作 确保工程安全运行 充分发挥 效益 土石坝防渗加固是病险水库除险加固工作中非常重要的方面 本文结合安 丘市于家河水库工程 对其大坝存在的问题 部位 原因 原防渗加固措施失 败的经验教训进行了深入分析 在此基础上 从方法 工艺 材料等方面 研 究了该水库防渗加固 本文所做的工作和取得的成果对于科学 经济 合理地 进行土石坝的防渗加固具有重要的实践和指导意义 1 2 病险水库大坝加固处理研究现状睁伽 土石坝以其取材方便 适应性强 施工灵活 结构简单等优点而在当今 世界中得到广泛的应用 因其主要由坝址附近的土石料填筑而成 故又称 当 地材料坝 根据坝体所用材料的不同 又可分为土坝和堆石坝 4 山东大学硕士学位论文 由于土石坝的突出优点 我国已建成了众多的土石坝 但经过长期的运 行 这些土石坝都发生了不同程度的老化 有的已直接影响到正常运行 所以 需要对其进行可靠的检测 近些年来 随着科学技术的发展 电子技术越来越 多的用于土石坝工程的隐患探测 如直流电阻法 自然电场法 激发极化法 甚低频电磁法 放射性同位素法以及实地观测和探井等 应用上述方法对坝体 坝基存在的问题进行评价 从而有针对性地提出加固处理措施 以下分别从坝 体渗漏 滑坡 护坡裂缝等方面归纳病险库大坝加固处理研究现状 1 坝体渗漏 土坝坝体和坝基都具有一定的透水性 根据渗漏量的大小 渗漏可分为 正常渗漏和异常渗漏 对于因渗漏而引起的土体破坏或渗漏量过大 且影响蓄 水和造成工程整体或局部失稳的 称为异常渗漏 异常渗漏是考核坝体老化的 主要指标之一 根据工程多年的运行经验 提出了表1 1 所述的坝体渗漏评价 标准 表1 1 坝体渗漏老化评价标准 序号 坝体渗漏现象程度评价 渗流量随蓄水后库水位的上升而增加 但达到正常蓄水位后渗水 l 正常 量基本稳定且渗水量较小 2 同上 但渗漏量较大 一般 渗水量随蓄水位的变化而急剧变化 水位增高渗流量变大 较 严重 3 坝脚出现集中渗漏且渗漏量急剧增加或渗水突然变浑 较严重 渗漏量突然减少或中断 坝体内部渗漏进一步恶化 排水体以上坝坡出现渗漏 4 渗漏量大且由于渗水作用而出现地面凸起 坍塌或管涌现象 严重 2 滑坡 土坝滑坡的原因有很多 如坝坡太陡 坝体抗剪强度偏小 或由于坝基 土的抗剪强度不足 外界因素引起坝体扰动 如地震 坝周围动荷载等 导致坝 体的局部或整体滑动 坝体的抗滑能力主要通过坝体抗滑稳定安全系数来体 现 因此 对其老化程度的评价 采用现场测试坝体有关物理力学指标 如粘 聚力 内摩擦角 干容重等 根据水库运行条件 通过稳定计算 求出坝体 现状最小稳定安全系数k 值 据此评价大坝的老化程度 山东大学硕士学位论文 3 护坡 护坡是土坝重要的组成部分 由于雨水 波浪 动植物以及设计不当 施工质量和管理等因素的作用和影响 土坝坝坡大都存在不同程度的毁坏 严 重的将威胁大坝的安全 护坡毁坏原因比较复杂 主要有坝体碾压不实 护坡 垫层设计与施工不合格 块石偏小 砌筑质量差 设计不完善 水流冲刷 坝 体不均匀沉陷 块石风化变质等原因 因此 采用了定量与定性相结合的老化 方法 护坡的老化程度的评价标准见表1 2 表1 2 护坡的老化评价标准 标准 评级依据 完好原设计完善 砌筑质量好 护坡垫层完好 基本完好满足设计要求 但局部有松动翻起现象 f f 2 9 0 损坏较严重 设计不完善 砌筑质量差 块石偏小 护坡垫层流失较严重 表面有较严重的翻起 松动 塌陷 架空等 f 6 0 f 9 0 损坏严重 设计不合理 无垫层或垫层冲刷流失严重 块石质量差 表面 有大面积的翻起塌陷 块石架空等现象 f f 6 0 表中 护坡完整度f 用下式表示 f a a x1 0 0 1 1 式中a 一目前完好的护坡面积 m 2 a 一总面积 m 2 护坡材料完好度f 2 为 f 2 0 8 5 d d 1 0 0 1 2 式中d 一实测石块平均粒径 m d 一设计块石平均粒径 m 4 土坝裂缝 土坝裂缝是较为常见的现象 有的裂缝在坝体表面就可以看到 有的隐 藏在坝体内部 要开挖检查才能发现 裂缝宽度 最窄不到1 姗 宽的可达5 0 0 嗍 裂缝的长度不等 短的不到l m 长的达数百米 裂缝的深度 有的不到1 m 有的深达坝基 裂缝的走向有平行坝轴线的纵缝 有垂直坝轴线的横缝 还有 不规则的倾斜裂缝 无论什么性质的裂缝对土坝的正常使用都有不利影响 其 中危害最大的是贯穿坝体的横向裂缝 水平裂缝以及滑坡裂缝 它们直接影响 坝体的稳定性 其中横向裂缝易发展为穿过坝身的渗流通道 若不及时修复 可使土坝在很短的时间破坏 如果裂缝发生在防渗体内部 也将使防渗体断裂 6 山东大学硕士学位论文 为渗流通道而失去防渗作用 坝基裂缝主要是由于地基内存在局部大孔隙土 壤 在清基时未严格处理 蓄水后形成局部下陷产生裂缝 使得坝体底部漏水 土坝裂缝是引起土坝破坏的主要因素之一 因此在进行大坝老化评价时 应对裂缝的范围 位置 长度 宽度 深度 数量等进行详细测定 以便综合 确定其影响 针对上述几种情况 我国防渗一般采用灌浆或防渗墙措施来处理渗透或 降低浸润线 采用防滑桩或压重等措施来提高抗滑稳定性安全系数 从实际处 理效果看 混凝土防渗墙效果最好 施工经验也最丰富 但其造价较高 滑坡 的处理比较复杂 要从滑坡的起因上解决问题 最好的途径是降低坝体浸润线 或提高土体强度指标 近些年来 随着土工合成材料的发展 用土工膜或复合 土工膜防渗和用加筋材料提高土体稳定性得到越来越广泛的应用 对坝基渗漏 的处理一般依据上游 铺 截 堵 下游 导 减 排 的原则 所谓铺 截 堵就是修建铺盖 防渗墙和帷幕灌浆等 导 减 排是修建导渗反滤体 减压井 排水沟等 其中高喷混凝土防渗墙应用较多 若为岩基则采用防渗帷 幕 此外 还有坝体劈裂灌浆等方法 在特殊地基情况 如岩溶地基 其灌浆 方法也比较特殊 总之 我国在土石坝加固处理方面己摸索出一套行之有效的 方法 但对某些技术适用条件还有待于进一步完善 如高压喷射灌浆在不同土 体中的渗透性等 7 山东大学硕士学位论文 第二章土石坝的病害及处理技术概述 2 1 土石坝病害 所谓病害 是指由于勘测设计不周 施工质量不良和管理运行不当等内因 以及水压力 地震 战争等外因 使坝及枢纽建筑物发生缺陷病害以致存在潜 在的危险 根据病害的特点可归纳为两类 一为结构及构造性病害 其发病机 理主要是结构强度 稳定和刚度不足 以及构造措施不合理 二为渗漏性病害 病害机理主要是坝体及其接合体抗渗性能不足 前者主要包括滑坡 沉陷 裂 缝 护坡排水设备和溢洪道问题等 后者主要包括坝体渗漏 坝基渗漏 绕坝 渗漏 涵洞周围渗漏和白蚁洞穴渗漏等 土石坝病害中 坝体裂缝 建筑物裂 缝 坝体坝基漏水 上游护坡冲刷破坏以及白蚁洞穴等占的比重较大 形成坝体裂缝和渗漏的原因是多方面的 由于土石坝为散粒体组成的挡水 建筑物 防渗体用粘土心墙或斜墙 钢筋混凝土面板等 而基面的地形不规则 地质不均匀 碾压质量等因素 使断面间的沉陷 包括固体沉陷 不同 引起水 平向 包括垂直河向与顺河向 的拉应力 从而引起接近垂直坝轴线方向和平行 坝轴线方向的裂缝或面板止水的开裂 其中以接近垂直坝轴线方向的裂缝危害 较大 它使防渗体产生裂缝或面板止水开裂等 引起渗透破坏 土石坝在施工 期和蓄水期的变形往往占总变形的6 0 一7 0 也就是说有3 0 到4 0 的后期影 响 由土石坝原型观测资料分析表明 后期变形对土石坝防渗体的强度 稳定 和裂缝有显著影响 此外生物的影响 主要包括老鼠等动物和树木等植物造成 的土体洞穴 也是引起渗透破坏的因素之一 还有坝体受波浪的冲击导致上游 护坡冲刷和淘蚀而损坏 主要是由于干砌石的厚度不足 下垫层设计不合理 混凝土和浆砌石护坡厚度太薄 裂缝太宽 排水孔失效等造成 2 2 土石坝防渗加固技术综述n 蚴叼 1 地下防渗墙技术 地下防渗墙技术采用的主要工艺方法是 按照设计的几何尺寸造孔 泥浆 固壁 清沉渣 浇水下混凝土 处理槽孔之间的接头等 我国使用的挖槽机2 0 8 山东大学硕士学位论文 世纪7 0 年代初期多用冲击钻机 7 0 年代中期开始研制抓斗 8 0 年代中期开始 引进液压抓斗并进行消化吸收和创新 工程泥浆主要有当地粘土和膨润土 防 渗墙墙体类型和墙体材料应根据周围土体的变形特性和承受的荷载情况进行 选择 墙体类型有刚性墙 塑性墙 柔性墙 刚性墙墙体材料有钢筋混凝土 混凝土 粘土混凝土等 塑性墙墙墙体材料有塑性混凝土 沥青混凝土等 柔 性墙墙体材料有固化灰浆 自硬泥浆 泥浆槽 薄膜等 地下防渗墙技术使我 国水库和大坝的防渗和安全设计及施工技术发生了很大的变化 著名的三峡和 小浪底工程都使用了地下防渗墙技术 随着防渗墙施工技术日见成熟 大有取代灌浆防渗的势头 混凝土防渗 墙特别是塑性混凝上防渗墙 作为土坝的垂直防渗结构是非常安全和经济 是 处理土坝安全隐患的主要技术手段 具有占地少 工效高 工期短 质量可靠 经济效益高的优点 但使用该项技术时 必须合理设计 严格施工工艺控制 方能取得成功 2 振动沉模防渗板墙技术 振动沉模防渗板墙技术 是利用强力振动原理将空腹模板沉入土中 向空 腹注满浆液 边振动边拔模 浆液留于槽孔中形成单块板墙 将单板连接起来 即形成连续的防渗板墙帷幕 该技术采用挤压土体成槽工艺 施工成套设备主 要由桩机 制浆输浆系统和动力机组成 浆液包括水泥砂浆 水泥粘土砂浆 水泥粉煤灰膨润土砂浆 水泥粉 煤灰粘土砂浆等 应根据防渗墙的物理力学 性能 施工机械和工艺过程要求 防渗墙厚度 材料供应条件和价格 施工经 验等因素选择 振动沉模防渗板墙技术的优点是简化了成墙工序 由地下防渗 墙的六道工序简化为一道工序 解决了槽孔之间的夹泥和下部开叉使混凝土连 续墙不连续的弊端 因而成墙质量可靠 施工速度快 成本低 其不足之处是 对卵石含量高的厚地层沉入困难 不能沉入基岩和大块石中 该技术主要用于 砂 砂性土 粘性土 淤泥质土及砂砾石地层建造混凝上连续防渗墙 造墙深 度可达2 0 m 左右 厚8 2 5 c m 最厚可达3 0 c m 3 劈裂帷幕灌浆技术 2 0 世纪7 0 年代后期 人们总结了填充灌浆的经验教训 分析了坝体裂缝 成因和灌注泥浆劈裂坝体的规律 提出了土坝坝体劈裂灌浆理论 劈裂灌浆是 从产生坝体隐患的原因入手 根据土坝的几何形状和应力分布规律 利用坝体 小主应力的分布规律进行布孔 施加一定的灌浆压力 有计划有控制地使坝体 9 山东大学硕士学位论文 沿轴线方向劈裂 同时灌注适宜的泥浆 形成铅直连续的防渗帷幕 堵塞与劈 裂缝连通的的洞穴 裂缝或切断软弱层 以提高坝体的防渗能力 同时 通过 浆坝互压和湿陷使坝体内部得到调整 提高坝体变形稳定性 劈裂灌浆主要工序有钻孔 制浆 灌浆 劈裂灌浆一般采用孔底注浆全孔 灌注法 孔底注浆全孔灌注法是劈裂灌浆提高质量和保证坝体安全的重要技术 措施 注浆机以一定的压力将浆液压入注浆管 浆液从管底流出 顺注浆管壁 外侧向上流动 劈裂灌浆技术主要适合于处理压实质量差 有裂缝 洞穴 水平夹砂层等 隐患的土坝及结构性较强的粉细砂及土砂夹层透水地基 应用劈裂灌浆技术 时 应根据工程的具体情况 采取相应的灌浆工艺和措施 以取得良好效果 4 高压喷射灌浆防渗技术 高压喷射灌浆技术最早是由日本于2 0 世纪6 0 年代末期创造出来的一种全 新的施工方法 8 0 年代以来 高喷灌浆技术在国外得到迅速发展 尤其是在水 利工程的防渗方面 我国2 0 世纪7 0 年代末从日本引进高喷灌浆技术 主要用 于地基加固 8 0 年代初 山东水利科学研究所运用该项技术原理 经过研制改 进和多年的实验探索 提出了一整套较为完善的高压喷射灌浆防渗技术 高压喷射灌浆是利用钻机造孔 然后把带有喷头的灌浆管下至土层的预定 位置 以高压把浆液或水从喷嘴中喷射出来 形成喷射流冲击破坏土层 土粒 从土体上剥落下来后 一部分细小土粒随着浆液冒出地面 其余部分与灌入的 浆液混合掺搅 在土体中形成凝结体 其基本原理是利用射流作用切割掺搅地 层 改变原地层的结构和组成 同时灌入水泥浆或混合浆形成凝结体 借以达 到加固地基和防渗的目的 高压喷射灌浆施工工序大体分为钻孔 下注浆管 喷射 提升等 高压喷 射灌浆的形式分为旋喷 摆喷和定喷三种 其中定喷适应于粉土 砂土 摆喷 旋喷适应于粉土 砂土 砾石和卵 碎 石地层 高压喷射灌浆方法有单管法 二管法 三管法 多管法等 它们各有特点 应根据工程要求和土质条件选用 高压喷射灌浆成套设备一般分为造孔 供水 供气 供浆 喷灌等五大系统和 其他配套设备等六个部分 高压喷射灌浆防渗技术可用于坝下地基覆盖层 接触带等的防渗 在大块 径 堆石体等地质条件也可建造防渗墙 其优点是不需对地基进行开挖 即可 在地基的某一深度建造符合设计要求的防渗体 l o 山东大学硕士学位论文 5 土工膜防渗技术 土工膜是由高分子聚合物制成的透水性甚小的材料 渗透系数一般为 1 0 1 1 1 0 1 2 c m s 是一种良好的防渗材料 在土石坝防渗工程中得到广泛的应 用 土工膜防渗应用有土坝的防渗斜墙或垂直防渗心墙 透水地基上土坝的水 平防渗铺盖和垂直防渗墙 施工围堰的防渗等 土工膜的厚度很薄 容易遭破坏 为了有效保护和提高其在坡面上的稳定 性 土工膜防渗结构原则上应包括5 层 防护层 与外界接触的最外层 上垫 层 防护层与土丁膜之间的过渡层 土工膜 下垫层 支持层 土工膜所用的原材料主要有聚乙烯 p e 和聚氯乙烯 p v c 两种 工程选料 时应考虑上述两种材料在力学特性 可连接性 经济性等方面的优缺点 并结 合工程实际情况做出合理的选择 土工膜的形式分为单膜和复合土工膜 选用 单膜或是复合土工膜主要从复合土工膜的作用和经济性两方面综合考虑 土工膜使用的场合和部位要正确 所用的材料要充分能发挥其最大的效 能 同时做到合理设计 精心施工 经常维护 6 综合防渗技术 水库大坝各组成部分的病险情况往往不同 根据土坝产生病害的部位 原 因 地质特点等 针对性地采取不同防渗技术措施 进行综合治理的技术 成 为综合防渗技术 综合技术比单一技术质量易掌握 施工速度快 工程成本低 用于土坝病险治理具有巨大潜力 是今后土坝病险治理的发展方向和总趋势 综合防渗技术的主要内容 包括采用各种有效的勘查手段查明病险大坝的 病情 综合各种适应的防渗技术 选择适宜的防渗材料 综合执行防渗加固方 案 为适应综合防渗技术的要求 建立数据库是非常重要的环节 将采集的各 种防渗技术及施工工艺 防渗材料 分类别进行整理 编入数据库 有利于优 化施工方案 加快设计施工过程 综上所述 哪种技术都有它的适用范围和局限性 优化土石坝防渗加固设 计研究的重点在于明确病因机理 选择适用的防渗技术 工艺和防渗材料 以 最大限度地发挥选用技术的优势 工艺和防渗材料 同时加强试验研究和方法 有效控制其易出现的问题 山东大学硕士学位论文 3 1 工程现状 第三章于家河水库工程概况 于家河水库位于潍河水系渠河上游浯河口 安丘市石埠子镇于家河村西 1 9 6 6 年1 1 月动工兴建 1 9 6 7 年7 月竣工蓄水 水库控制流域面积1 0 0 k m 2 水 库总库容5 3 1 4 万m 3 兴利水位1 4 5 9 m 兴利库容2 5 3 0 万m 3 于家河水库下游 距安沂公路2 k m 距2 0 6 国道4 0 k m 下游有四个乡镇 6 万多人口及2 万亩耕地 水库枢纽工程包括大坝 溢洪道 放水洞 水电站等 大坝为粘土心墙砂壳坝 坝长4 7 0 m 顶宽7 5 m 坝顶高程1 5 2 0 0 m 防浪 墙顶高程1 5 3 4 0 m 最大坝高2 8 3 7 m 大坝上游坝坡高程1 4 6 5 0 m 以上为1 3 高程1 4 6 5 0 1 3 5 5 0 m 范围1 3 2 5 高程1 3 5 5 0 m 以下1 3 5 在高程1 4 6 5 0 m 1 3 5 5 0 m 处各设宽1 5 m 的戗台 心墙有效顶高程为1 5 1 0 0 m 心墙轴线偏离坝 轴线上游1 0 m 心墙分两部分 高程1 5 0 5 0 m 处宽2 o m 以下部分边坡均为l o 5 以上为接高部分 坝基砂层内建有齿槽 齿槽底宽6 0 m 上游坝坡为干 砌块石护坡 下游坝坡为草皮护坡 坝坡设排水沟 坝脚设贴坡排水体 贴坡 排水高2 o m 边坡1 2 溢流道位于大坝右坝肩以西3 5 0 m 处 为开敞式 建有高约0 5 m 的砼溢流 堰 堰项高程1 4 5 9 0 m 堰宽7 6 m 溢洪道已经开挖 全长1 2 0 0 m 由上游控制 段 中间河槽段和下游出水渠三部分组成 放水洞位于大坝桩号o 3 9 0 处 全长1 0 9 9 m 竖井上游为浆砌石廊道 长 3 6 6 m 下游为廊道衬管式 衬管采用钢筋砼圆管 内径2 o m 放水洞进口底 高程1 3 0 o o m 洞底比降1 1 5 0 于家河水库水电站为坝后式 设计水头1 0 3 m 设计流量5 1 0 m 3 s 装机 容量3 7 5 k w 设计年发电量6 2 6 6 万度 电站由钢筋砼输水管道 厂房 输变 电设备和线路等几部分组成 厂房由尾水室层 蜗壳层 水轮机层和发电机层 组成 主厂房设z d 6 6 卜l h 一6 0 型水轮机配套t s n 5 9 4 卜8 发电机组3 台 单机 容量1 2 5 k w 配电间设在主厂房东端 室内布置低压配电盘5 面 主变压器型 号为s j l 一5 6 0 一l o o 4 露天布置在配电间东面 于家河水库自1 9 6 7 年建成至今 已运行了三十多年 虽然没有出现特别 1 2 山东大学硕士学位论文 大的险情 但据记载 也发生过几次事故 只是由于发现及时 处理得当 才 使大坝主体及附属设施渡过险情 其中较大的有 1 9 7 4 年8 月1 3 日 石埠子雨型 溢洪道尾水渠右岸被洪水冲垮5 0 m 长 淹没土地3 2 0 亩 1 9 7 8 年放水洞衬管发生环向裂缝7 道 用环氧树脂砂浆处理后 仍有渗水 现象 1 9 9 1 年汛期 溢洪道尾水渠两岸多处被洪水冲毁 当年进行修复 1 9 9 7 年汛前 发现放水洞出现裂缝5 道 放水洞衬管出现漏水孔洞 放水 洞出口附近的坝坡有渗水明流 且渗水中含细土颗粒 另外 自水库运行以来 上游干砌石护坡多次出现石块松动及不均匀沉陷 现象 库水位达到1 4 3 o o m 时 右坝肩渗水明显 并在低洼处积水 3 2 工程标准 根据 水利水电工程等级划分及洪水标准 s l 2 5 2 2 0 0 0 于家河水库属 中型水库 其枢纽工程等级为 等 主要建筑物级别为3 级 次要建筑物为4 级 临时建筑物为5 级 一 防洪标准 主要建筑物 大坝 溢洪闸等 的防洪标准为五十年一遇洪水设计 千年 一遇洪水校核 二 消能防冲洪水标准 溢洪道消能防冲的洪水标准为三十年一遇洪水设计 五十年一遇洪水校 核 三 地震设防烈度 根据中国地震动参数区划图 g b l 8 3 0 6 2 0 0 1 于家河水库库区所在地反 应谱特征周期为o 3 5 s 地震动峰值加速度为o 2 9 相应的地震基本烈度为8 度 地震设防烈度亦为8 度 山东大学硕士学位论文 3 3 工程地质 1 库区工程地质 库区工程地质问题包括库区渗漏 浸没 塌岸 诱发地震等 一 库区渗漏 水库地处片麻岩地区 基岩裸露 透水性差 库区分水岭山体宽厚 均高 出设计洪水位 临谷相对下切较浅 水库与临谷的距离较远 无大的构造带形 成的渗漏通道 不存在库区渗漏问题 二 浸没 水库上游主河床沉积物为砾质粗砂 细砾 两岸表层为砂壤土 下部为砾 质粗砂 其浸没临界深度为1 5 m 当库水位达到1 4 9 1 l m 时 周边处于1 5 0 6 l m 高程的台地均在浸没范围内 两岸地形坡度较陡 浸没范围较小 大老子村以 北 以西浸没范围相对较大 经估算浸没面积约3 0 k m 2 三 库岸稳定 库区周围为丘陵区 丘顶浑圆 丘坡平缓 作为基岩岸坡 无高耸陡立的 山崖 无前缘临空面 亦没有两侧冲沟深切 后缘断裂切割等形成滑移的边界 条件 作为岩岸 无造成坍滑的地形地质条件 作为第四系岸坡 在兴利水位 附近 坡度近似于水库天然冲刷坡 地形较平缓 因此构不成大面积的库岸崩 塌 不存在岩岸坍滑及第四系塌岸问题 四 固体径流 库区汇流面积之内 山丘的岩性以片麻岩为主 由于长期的风化剥蚀作用 表层呈风化的砂状 上游植被不甚发育 雨水季节 大量风化砂被带入河流随 河水入库 造成库区淤积 对大坝防洪极为不利 因此 库区上游应加强绿化 以减少淤积量 五 诱发地震 根据库区岩性 地质及水文地质条件 结合建库以来的地震历史 综合分 析 产生诱发地震的可能性较小 六 上游水质 水库位于渠河上游 库水由上游山区直接汇流而至 无造成水质污染的矿 区污染源 水质纯净 是较为理想的水源地 2 坝址区地质概况 1 4 山东大学硕士学位论文 一 地形地貌 河流为冲蚀型山区季节性河流 呈s e 向向下游延伸 河床宽约2 5 0 m 河 床高程约1 2 4 0 0 m 比降0 0 0 5 m m 由砾质粗砂组成 一级阶地发育 受河流 的侧向侵蚀作用 阶地主要发育在右岸 一般高出河床1 2 m 宽1 0 0 2 0 0 m 由壤土和粗砂组成 原地貌形态己被人为改变 坝前地势为中间低 两侧高的地形 再向前为渠河河漫滩 河槽较为平坦 由砾质粗砂层组成 o 2 3 0 处原地面高程为1 2 3 6 3 m o 3 3 0 处原地面高程为 1 2 4 1 0 m 向两岸延伸地形渐高 二 地层岩性 坝址区出露第四系地层为全新统冲积堆积的砾质粗砂 基岩为太古代的云 母长石片岩与角闪石黑云母片麻岩 坝址下游还分布有古生代灰岩 局部夹薄 层页岩 砂岩 三 地质构造及地震 坝址区地质构造简单 未发现大的断裂 其构造形态以小断裂 节理为主 要特征 溢洪道地质为一古老的南北走向大断层带 走向n 1 5 e 倾向s e 为压性 断层带 下游被其它构造切割 构不成库水渗漏通道 溢洪道下游断层位于桩号0 1 7 0 处 走向n e l 0 倾角近于直立 断层带 宽9 m 压性 对溢洪道边坡稳定没有影响 据 中国地震动参数区划图 于家河水库反应谱特征周期为0 3 5 s 地震 动峰值加速度为o 2 0 9 库区距沂沭断裂带较近 该断裂带为区域性控震构造 自公元前7 0 年至 今两千年 山东境内共发生了6 级以上地震1 4 次 其中就有6 次发生在该构 造带上 近期华北发生几次大震 除邢台地震外 其它都对此有显著影响 弱 震接连发生 而且至今仍有活动 四 水文地质条件 坝址区地下水按其埋藏条件可分为孔隙潜水和裂隙潜水两种类型 孔隙水埋藏在第四系松散砂层中 主要的含水层分布在河床漫滩和阶地 中 厚度9 1 2 m 透水性极强 以大气降水 地表水的侧渗为其主要补给来源 向下游渗流为其主要排泄途径 地下水矿化度o 4 l g p h 值为7 4 2 为中性 淡水 总硬度2 0 0 m g 几 山东人学硕士学位论文 裂隙水主要分布在基岩全风化带 强风化带的风化裂隙和构造裂隙中 水 量与裂隙发育程度有关 大气降水 库水是裂隙潜水的主要补给来源 向下游 河床排泄 岩石透水性较低 地下水矿化度o 3 4 l g p h 值为7 4 7 为中性淡 水 总硬度1 5 0 m g 几 地下水化学类型为碳酸型一钙质水 无侵蚀c o 对混凝土无腐蚀性 3 大坝工程地质 一 坝基渗漏 大坝基岩左端为片麻岩 右端为片岩 片理构造发育 片理走向n 2 0 e 倾向s 7 0 e 倾角7 0 根据大坝运行观测情况 除右坝肩在库水位达到1 4 3 o o m 以上时 坝后土产生浸润现象外 其余坝段坝基防渗效果较好 不存在渗漏现 象 二 上游砂壳及坝基砂振动液化 依据 水利水电工程地质勘察规范 g b 5 0 2 8 7 9 9 对大坝上游砂壳及坝 基砂进行振动液化分析评价 采用标准贯入法 相对密度法等进行判别 经分 析 在8 度地震基本烈度条件下上游砂壳和坝基砂存在震动液化的可能性 3 4 工程水文 1 水库概况 于家河水库位于安丘市城南5 l k m 的潍河流域渠河支流浯河北支入口处 于1 9 6 7 年7 月建成 水库控制流域面积l o o k m 2 现状总库容5 3 1 4 万m 3 相应 水位1 5 1 4 8 m 死库容3 9 0 万m 3 相应的死水位1 3 3 3 0 m 水库坝址以上干流 长度1 7 4 l i i l 流域平均宽度5 7 5 k m 干流平均坡度为5 流域形状呈短叶形 北高南低 上游最高山峰虎眉山4 7 4 o m 坝址处河底高程为1 2 4 o o m 李家沟拦河坝上游流域面积1 6 5 k m 2 其所拦蓄的部分径流由隧洞调入于家 河水库 2 水库水位 水面积 库容曲线 于家河水库水位 水面积 库容关系由 于家河水库大坝安全鉴定设计洪 水复核分析报告 以下简称 设计洪水复核报告 中查得 经核对 将结果 列于表3 1 中 表3 1于家河水库库水位 水面积 库容关系表 1 6 山东大学硕士学位论文 库水位 m 1 2 41 2 71 3 01 3 31 3 3 31 3 5 1 3 71 3 8 水面积 k m 2 o0 2 2o 5 4o 8 60 91 1 11 1 41 5 6 库容 1 0 6 m 3 o0 4 51 5 53 6 53 95 68 1 79 7 库水位 m 1 3 91 4 01 4 11 4 21 4 31 4 41 4 51 4 5 9 水面积 k m 2 1 7 31 9 32 1 62 4 l2 6 62 9 23 2 l3 4 7 库容 1 0 6 m 3 1 1 3 31 3 1 51 5 1 81 7 5 52 0 1 82 3 o o 2 6 1 02 9 2 库水位 m 1 4 61 4 81 4 9 4 21 5 01 5 0 0 31 5 2 水面积 1 l 2 3 54 1 34 2 74 84 85 5 2 库容 1 0 6 m 3 2 9 6 03 7 2 54 3 44 6 1 54 6 25 6 3 3 降水资料 于家河水库流域降水资料引自于家河水库下游1 5 k m 的石埠子水文站 1 9 5 6 2 0 0 0 年多年实测降水资料 见表3 2 表3 2石埠子水文站历年逐月降水量统计表 咖 年份7 月8 月9 月1 0 月1 1 月1 2 月1 月2 月3 月4 月5 月6 月全年 1 9 5 6 2 1 73 3 36 47 74 02 4o1 52 44 481 7 21 0 1 8 1 9 5 72 7 53 7 64 83 02 56 1473 45 98 3 7 01 0 7 2 1 9 5 81 9 55 75 48 21 12821 47 93 82 4 17 8 4 1 9 5 91 5 6 3 81 171 62o3 9 3 1 82 11 5 24 6 3 1 9 6 02 8 l3 8 64 93 02 66 3473 46 08 57 21 0 9 8 1 9 6 11 8 95 65 37 91 12821 47 73 72 3 47 6 1 1 9 6 22 4 03 2 9 4 22 62 25 44 6 2 95 17 26 19 3 7 1 9 6 31 9 51 1 17 37 31 155o3 03 851 4 06 8 7 1 9 6 43 4 24 6 96 03 73 17 7594 27 31 0 38 71 3 3 4 1 9 6 57 98 74 03 4o1641 31 22 01 23 0 8 1 9 6 63 0 61 9 01 4 08 291 95961 98 3o8 6 8 1 9 6 72 7 07 77 8l l53 01 l1 44 39 32 39 37 4 9 1 9 6 88 91 2 03 l7 72 04 03o1 12 5 3 6 3 44 8 6 1 9 6 9 6 7 7 68 8o 0 22 43 01 15 29 53 64 8 2 1 9 7 03 4 61 2 51 1 26 21 2511 613 36 48 88 6